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1、普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS第三章第三章 发电传感器发电传感器 本章学习的主要内容：本章学习的主要内容：1、热电偶传感器热电偶传感器 2、霍尔式传感器霍尔式传感器 3、压电式传感器压电式传感器普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS热处理温控系统动画演示热处理温控系统动画演示31 热电偶传感器热电偶传感器普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATI
2、ON PRESS一、热电偶传感器的工作原理一、热电偶传感器的工作原理1、热电势效应、热电势效应 符号符号两种不同材料两种不同材料结点温度不同结点温度不同组成闭合回路组成闭合回路热电势效应动画演示热电势效应动画演示普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS热电偶的热电动势热电偶的热电动势EAB(t，t0)接触电动势接触电动势EAB（也称珀尔帖电动势）（也称珀尔帖电动势）温差电动势温差电动势E(t，t0)（也称汤姆逊电动势）（也称汤姆逊电动势）总热电动势为两者之总热电动势为两者之代数和。代数和。普通高等教育“十一五
3、”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS（1 1）中间导体定律）中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。偶回路的总热电动势。2 2、热电偶回路的主要性质、热电偶回路的主要性质 EABC（t，t0）=EAB（t，t0）（C两端接点温度相同）两端接点温度相同）CABtt0普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUC
4、ATION PRESS应用举例应用举例:测量液态金测量液态金属的平均温度属的平均温度金属壁面进金属壁面进行温度测量行温度测量普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS（2）中间温度定律）中间温度定律 热电偶热电偶AB在接点温度为在接点温度为t1、t3时的热电动势，时的热电动势，等于热电偶在接点温度为等于热电偶在接点温度为t1、t2和和t2、t3时的热电动时的热电动势总和势总和 EAB(t1,t3)=EAB(t1,t2)+EAB(t2,t3)t1t3ABt1t2ABt2t3AB=+普通高等教育“十一五”国家级规划
5、教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS 当工作端和自由端温度为当工作端和自由端温度为t t和和t t0 0时，用导体时，用导体A A、B B组成热电偶的热电动势等于组成热电偶的热电动势等于AC AC 热电偶和热电偶和CB热电偶的热电偶的热电动势的代数和。热电动势的代数和。或或（3）标准电极定律标准电极定律普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS【例例1】如如图为铂铑图为铂铑10铂铂（S）热电热电偶，偶，A、B为补为补 偿导线偿导线，温度，温度t1=50，
6、t2=0，t3=30，t00。（1）当）当U0=934V时时，求被，求被测测点温度点温度t。（2）如果）如果A、B改改为铜导线为铜导线，此，此时时U0=810V，再求，再求 温度温度t。普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS【分析分析】（1）根据中间导体定律：）根据中间导体定律：U2U0而而A、B为补偿导线，视同热电偶为补偿导线，视同热电偶 A、B所以所以 EAB(t,t2)U2U0934（V）t2=0，直接查表可得温度直接查表可得温度t=138（2）根据中间导体定律：）根据中间导体定律：U1U0EAB(t
7、,t1)U1U0，根据中间温度定律，根据中间温度定律EAB(t,0)EAB(t,t1)EAB(t1,0)U0EAB(50,0)1109V 直接查表可得温度直接查表可得温度t=160 普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS二、热电偶的种类及结构二、热电偶的种类及结构1、热电偶的结构、热电偶的结构热电极热电极绝缘套管绝缘套管保护套管保护套管接线盒接线盒热电偶外形和结构图热电偶外形和结构图普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS
8、接线盒接线盒引出线套管引出线套管 不锈钢不锈钢保护管保护管 固定螺纹固定螺纹 热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端）标准热电偶标准热电偶普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS2、热电偶、热电偶 的种类的种类 普通型热电偶普通型热电偶标准化标准化热电偶热电偶铠装热电偶铠装热电偶非标准化热电偶非标准化热电偶普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS三、热电偶自由端温度的补偿三、热电偶自由端温度的补偿热电偶在测温过程中，为了保证
9、输出热电动势是热电偶在测温过程中，为了保证输出热电动势是 被测温度的单一函数，必须保持自由端（冷端）被测温度的单一函数，必须保持自由端（冷端）的温度恒定。的温度恒定。热电偶的分度表热电偶的分度表 由图表可知：根显示仪表都是以热电偶的自由端由图表可知：根显示仪表都是以热电偶的自由端 温度等于温度等于0 为条件的。为条件的。如果自由端温度不是如果自由端温度不是0，尽管被测温度不变，尽管被测温度不变，热电动势也将随自由端温度而变化热电动势也将随自由端温度而变化，必须消除或，必须消除或 补偿这一测量误差。补偿这一测量误差。普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社
10、 HIGHER EDUCATION PRESS （1）仪表调零修正法）仪表调零修正法 在在t0基本不变的情况下，仪表预先机械调零到基本不变的情况下，仪表预先机械调零到t0处，即仪表预先输入处，即仪表预先输入E（t0，0）则指针指向则指针指向t0。指针被预指针被预调到室温调到室温（40 C）可补偿冷可补偿冷端损失端损失1、补偿方法、补偿方法普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS（2）冷端温度自动补偿）冷端温度自动补偿 一般采用电桥补偿法：在热电偶回路中串入一一般采用电桥补偿法：在热电偶回路中串入一个自动补偿的
11、电位差信号来补偿热电势的变化值。个自动补偿的电位差信号来补偿热电势的变化值。E（t，0）=E（t，t0）+Uab XTWBC热电偶冷端补偿器热电偶冷端补偿器普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS常用的国常用的国产产冷端冷端补偿补偿器性能比器性能比较较表表型型 号号配用配用热电热电偶偶补偿补偿范范围围()()电桥电桥平衡平衡时时温温度度()()电电源源(V)(V)内阻内阻()()功耗功耗(VA)(VA)补偿误补偿误差（差（mVmV）WBCWBC0101铂铑铂铑1010铂铂0 0505020202202201
12、18 80.0450.045WBCWBC0202镍铬镍铬镍镍硅硅(铝铝)0.160.16WBCWBC0303镍铬镍铬考考铜铜0.180.18WBC-57-WBC-57-LBLB铂铑铂铑1010铂铂0 0404020204 41 10.250.25(0.015+0.0015t)(0.015+0.0015t)WBC-57-WBC-57-EUEU镍铬镍铬镍镍硅硅(铝铝)(0.04+0.004t)(0.04+0.004t)WBC-57-WBC-57-EAEA镍铬镍铬考考铜铜(0.065+0.0065t)(0.065+0.0065t)t为为与与20之差的温度数之差的温度数值值。普通高等教育“十一五”国家
13、级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS2、补偿导线延引电极、补偿导线延引电极u自由端高温热源的影响自由端高温热源的影响u自由端温度要求基本保持恒定自由端温度要求基本保持恒定u热电偶做得长，贵重金属的耗费加大。热电偶做得长，贵重金属的耗费加大。（1）问题的提出）问题的提出（2）解决办法）解决办法u温度范围温度范围（0100）u热电特性相近的材料热电特性相近的材料u自由端延长，用补偿导线相连自由端延长，用补偿导线相连 普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PR
14、ESSAB屏蔽层屏蔽层保护层保护层补偿导线外形图补偿导线外形图普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS常用常用热电热电偶偶补偿导线补偿导线的特性的特性配用配用热电热电偶正偶正-负负补偿导线补偿导线正正-负负导线导线外外皮皮颜颜色色100100热电热电势势（mVmV）150150热电势热电势（mVmV）2020时时的的电电阻率阻率(m m)正正负负铂铑10铂铜铜镍红绿0.6450.0231.029+0.024-0.0550.048410-6镍铬镍硅铜康铜红蓝4.0950.156.1370.200.63410-6
15、镍铬考铜镍铬考铜红黄6.950.3010.690.38 1.2510-6钨铼5钨铼20铜铜镍红蓝1.3370.045普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS四、热电偶的应用四、热电偶的应用1.热电偶的测温线路热电偶的测温线路u冷端温度相同冷端温度相同u热电动势与温度呈线性关系热电动势与温度呈线性关系注意：注意：普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS2.热电偶热电动势的测量热电偶热电动势的测量u动圈式仪表动圈式仪表u电位差计
16、电位差计u电子电位差计电子电位差计u微机识别，输出显示微机识别，输出显示 测量方式：测量方式：普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESSXCZ系列指针式显示仪表电路图系列指针式显示仪表电路图1热电偶热电偶2补偿导线补偿导线3冷端补偿器冷端补偿器4外接调整电阻外接调整电阻5铜导线铜导线6动圈动圈7张丝张丝8磁钢（极靴）磁钢（极靴）9指针指针10刻度面板刻度面板 普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS电位差计热电偶测温电路图电位
17、差计热电偶测温电路图 线路电阻对测量线路电阻对测量结果有没有影响结果有没有影响？提问：提问：普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESSXMZ系列智能系列智能数字显示仪表外形图数字显示仪表外形图普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS一、霍尔元件的工作原理及结构一、霍尔元件的工作原理及结构1霍尔效应霍尔效应 32 霍尔式传感器霍尔式传感器 霍霍尔尔电压电压UH为为：e 电子电量电子电量 KH霍尔元件灵敏度霍尔元件灵敏度式中式中
18、n 载流子数浓度载流子数浓度KH1/ned霍尔效应动画演示霍尔效应动画演示 普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS霍尔元件示意图霍尔元件示意图（a）霍尔元件结构示意图）霍尔元件结构示意图 （b）图形符号）图形符号 （c）外形）外形 普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS霍尔元件图片霍尔元件图片普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS3基
19、本电路基本电路注意：时间短（约注意：时间短（约10-12s10-14s之间）之间）频率高（几千兆赫）。频率高（几千兆赫）。普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS二、霍尔元件的基本参数与温度误差的补偿二、霍尔元件的基本参数与温度误差的补偿 1基本参数基本参数（1）输入电阻）输入电阻Ri；（2）输出电阻）输出电阻R0；（3）最大激励电流）最大激励电流IM；（4）灵敏度）灵敏度KH；（5）最大磁感应强度）最大磁感应强度BM；（6）不等位电势；）不等位电势；（7）霍尔电势温度系数）霍尔电势温度系数 普通高等教育“十
20、一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS2温度误差及其补偿温度误差及其补偿半导体对温度很敏感半导体对温度很敏感特性参数为温度的函数特性参数为温度的函数产生原因：产生原因：处理方法：处理方法：普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS三、集成霍尔元件三、集成霍尔元件1.线性型集成霍尔元件线性型集成霍尔元件普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS线性型集成霍尔元
21、件线性型集成霍尔元件输出特性输出特性普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS2.开关型集成霍尔元件开关型集成霍尔元件输出特性输出特性普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS1应用类型应用类型 四、霍尔式传感器的应用四、霍尔式传感器的应用（1）利用霍尔电势正比于磁感强度的特性来测量）利用霍尔电势正比于磁感强度的特性来测量磁场及与之有关的电量和非电量。如磁场计、方位磁场及与之有关的电量和非电量。如磁场计、方位计、电流计、微小位移
22、计、非接触开关等。计、电流计、微小位移计、非接触开关等。（3）利用霍尔电势正比于激励电流与磁感应强度乘）利用霍尔电势正比于激励电流与磁感应强度乘积的规律制成乘算器、除算器、开方器、功率计等，积的规律制成乘算器、除算器、开方器、功率计等，也可以作混频、调制、斩波、解调等用途。也可以作混频、调制、斩波、解调等用途。（2）利用霍尔电势正比于激励电流的特性可制作回）利用霍尔电势正比于激励电流的特性可制作回转器、隔离器、电流控制装置等。转器、隔离器、电流控制装置等。普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS霍尔特斯拉计（
23、高斯计）霍尔特斯拉计（高斯计）霍尔元件霍尔元件普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS霍尔角位移测量动画演示霍尔角位移测量动画演示12、应用举例、应用举例（1）角位移）角位移测量仪测量仪普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS霍尔角位移测量动画演示霍尔角位移测量动画演示2普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS霍尔转速测量动画演示霍尔转速测
24、量动画演示（2）霍尔转速表）霍尔转速表普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS霍尔式微压力传感器原理示意图霍尔式微压力传感器原理示意图（3）霍尔式微压力传感器）霍尔式微压力传感器 普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS霍尔钳形电流表的使用霍尔钳形电流表的使用叉形叉形钳形表漏磁钳形表漏磁稍大，但使用方便稍大，但使用方便 用用钳形表测量钳形表测量 电动机的相电流电动机的相电流（4）霍尔钳形电流表）霍尔钳形电流表 普通高等教育“
25、十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS33 压电式传感器压电式传感器 压电传感器振动分析动画演示压电传感器振动分析动画演示普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS一、基本工作原理一、基本工作原理1压电效应压电效应电介质在沿一定方向上受到外力电介质在沿一定方向上受到外力 产生变形产生变形 外力去掉，回到不带电状态外力去掉，回到不带电状态 内部产生极化现象，表面产生电荷内部产生极化现象，表面产生电荷 压电效应动画演示压电效应动画演示普通高等
26、教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS2.逆压电效应逆压电效应极化方向上施加交变电场极化方向上施加交变电场 产生机械变形产生机械变形 去外加电场，变形消失去外加电场，变形消失 逆压电效应动画演示逆压电效应动画演示普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS3压电材料压电材料（1）压电晶体）压电晶体石英晶体外形图石英晶体外形图压电晶体是一种单晶体压电晶体是一种单晶体例如：例如：石英晶体；石英晶体；酒石酸钾钠酒石酸钾钠等等 普通高等教育“
27、十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS天然形成的石英晶体外形图天然形成的石英晶体外形图普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS（2）压电陶瓷）压电陶瓷压电陶瓷是一种人工制造的多晶体压电陶瓷是一种人工制造的多晶体例如：钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸锶等例如：钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸锶等 压电陶瓷外形图压电陶瓷外形图普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS高分子压电
28、材料外形图高分子压电材料外形图（3）有机压电材料）有机压电材料有机压电材料属于新一代的压电材料有机压电材料属于新一代的压电材料主要有压电半导体和高分子压电材料主要有压电半导体和高分子压电材料 普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS4压电材料的主要特性指标压电材料的主要特性指标（1）压电系数）压电系数d（2）刚度）刚度H（3）介电常数）介电常数（4）电阻）电阻R（5）居里点）居里点普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS二、
29、测量转换电路二、测量转换电路 1压电元件的等效电路压电元件的等效电路提问：提问：压电式传感器能用于静态测量吗？压电式传感器能用于静态测量吗？提示：提示：电荷有无泄漏？电荷有无泄漏？转换电路的输入阻抗是否无限大？转换电路的输入阻抗是否无限大？普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS无放大电荷的作用无放大电荷的作用（Q/U转换器）转换器）输出电压仅与输入输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关电荷和反馈电容有关电缆长度影响小电缆长度影响小2.电荷放大器电荷放大器注意：注意：电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路普通高等教
30、育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS电荷放大器外形图电荷放大器外形图普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS三、压电式传感器的结构和应用三、压电式传感器的结构和应用1压电元件常用的结构形式压电元件常用的结构形式并联接法并联接法C2CUUQ=2Q（1）串联）串联（2）并联）并联U2UQ=Q普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS2压电式传感器的应用
31、压电式传感器的应用（1）压电式力传感器）压电式力传感器压电式力传感器压电式力传感器测力动画演示测力动画演示普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS（2）压电式加速度传感器）压电式加速度传感器1基座基座 2引出电极引出电极3压电晶片压电晶片 4质量块质量块 5弹簧弹簧 6壳体壳体普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS压电式振动加速度传感器压电式振动加速度传感器普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编
32、高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS休休 息息 一一 下下普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长达上百米长达上百米铠装型热电偶外形铠装型热电偶外形普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS普通热电偶的外形普通热电偶的外形普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS小形小形K型热电偶型热电偶
33、其他热电偶外形其他热电偶外形普通高等教育“十一五”国家级规划教材传感器与自动检测技术吴旗主编 高等教育出版社 HIGHER EDUCATION PRESS 铂铑铂铑10铂热电铂热电偶分度表偶分度表分度号：分度号：S （自由端温度（自由端温度为为0）IPTS-68热热 电电 动动 势势(V)IPTS-680123456789010203040506070809010011005511317323529936543250257364571956111917924130537143950958065372711671251852473123784465165876607341672131191254318385453523594667742227813719726032539146053060267574927841422032663313984675376096827573390148210273338405474544616690764389515421627934541248155162369777244101161222286351419488558631704780501071672282923584254955666387127870102030405060708090100110